基于用户使用场景下的冰箱节能控制策略探索

郭立芝 尚殿波 崔培培 邓萍萍

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

冰箱是一个长期通电运行的电器，其耗电量在家庭总用电中所占比例较大，因此各电冰箱大国都制定了电冰箱能耗标准，并颁布实施了能耗等级制度，指导和促进冰箱生产企业研究应用节能技术，并引导消费者购买耗电量相对较小的产品。典型的能耗等级制度有中国、欧盟、澳大利亚、美国等国家或地区的电冰箱能效等级制度，冰箱能效等级及耗电量已成为消费者在决策购买冰箱过程中的重要的参考依据。

中华人民共和国国家标准GB/T 8059-2016《家用和类似用途制冷器具》[1]对耗电量的定义为：制冷器具在指定的时间段或指定的运行下，所消耗的能量，单位：kWh。该耗电量为铭牌标识中的标准耗电量，也是在冰箱稳定状态下所测得到的实验室数据。行业内，基本是围绕该指标进行制冷系统和控制策略优化并进行固化。

实际用户使用过程中，控制策略若未能与使用情况匹配，冰箱能耗则偏离最优控制策略而导致实际能耗有较大的偏差，行业内也有相应的探讨。李建周等[2]通过不同的控制方式对闭门模式和开关门模式的冰箱的温度和能耗的影响，提出综合考虑了冰箱耗电量和控制温度效果，能够较全面的反映冰箱控制效果的评价。王金肖等[3]通过对变频冰箱的模糊控制方式进行分析与研究，采用模拟的方法得出在模糊控制方式下对变频冰箱的能耗和温度的影响。方忠诚等[4]通过对直冷冰箱开门数学模型的研究，结合理论分析与实验数据，研究了开门时各因素对冰箱能耗增加的影响程度。中标能效科技（北京）有限公司[5]从用户家庭日常使用的角度出发，结合国家标准，将用户存储习惯、使用行为特征、用户偏好等信息，进行有机整合后开展的能效检测比对，重点关注消费者在家庭环境下正常使用冰箱时的能源消耗和性能体验。本文试图通过用户使用角度，探讨冰箱运行策略，并通过实验室进行相应的检测验证，仅为抛砖引玉。

1 影响冰箱能耗的外界条件

根据公司市场部对消费者的问卷调查结果分析，消费者的日常使用习惯对能耗影响最大的两个因素，一是开门次数，二是开门时长；其次是存放物品的多少。前两个因素导致开关门过程中内外冷热空气交换，外界湿热空气进入导致冰箱热负荷增加；存放物品需要制冷系统提供足够的冷量进行降温；均需要消耗电力增加冰箱能耗。

根据上述因素，形成三个控制变量，设计实验方案进行耗电量对比。

使用试验包进行“空载”、“半载”和“满载”,设置为变量X；使用自动开关门试验机实现开门次数和开门时长控制。开门次数设定为变量Y，开门时长（从开门到关门的过程时间）设定为变量Z。开门在冰箱进行稳定运行后进行，连续开门10 h后停止开门。

环境温度选择32 ℃，间室温度均按照国标控制进行稳态数据的记录。国标耗电量为稳态耗电量加上化霜耗电量增量计算合成的标准耗电量，而本文中耗电量不同于国标耗电量之处在于冰箱24 h从稳态到稳态（包括开门周期及化霜能耗）的24 h耗电量总的测量记录值，以方便对比实际能耗结果。

如图1所示。本文以现有双门变频冰箱进行试验，所述三个变量的测试分析，预先根据之前变频控制策略所述的32 ℃能耗测试时压缩机转速和风机转速进行固化，分别测试获得的试验数据。

图1 双门变频冰箱测试图

按现有试验室工况设计的变频冰箱控制规则，从表1～4数据可以得到的初步结论：负载量即参数X变量对冰箱耗电量影响最大，其次是单次开门时长即参数Z变量，最后是开门次数即参数Y变量。

表1 负载变化对能耗的影响测试数据

表2 开门次数对能耗的影响测试数据（开门时间固定为10 s）

表3 单次开门时长对能耗的影响测试数据（开门次数固定为10次）

表4 开门与时长对能耗的影响测试数据（总开门时长为固定值）

2 控制策略优化方法

冰箱是一个不间断供电的家用电器，但是用户并不是全天24 h对冰箱的制冷诉求维持在同一水平上，在不同冰箱的使用过程中，均存在使用段与空闲段，且不同用户存在时段分布不同、不同时段对冰箱制冷要求并不相同的情况。

在使用段，用户使用冰箱时往往希望冰箱尽快制冷，能耗增幅不要过高；然而在闲时段，用户使用冰箱的时间较少，箱内温度变化不大，用户对制冷速度的要求并不高，由此有必要通过冰箱已经普遍具备的信号来源，设计算法来搜集用户习惯并加以分析利用，从而智能控制冰箱制冷参数，即在不增加成本的基础上，设计一种能针对用户使用状况的智能算法，合理控制变频冰箱的运行策略，以达到控制降温速度和节约能耗的目的。

通过前述影响能耗的三个因素分析，获取参数的途径是通过冰箱开门传感器、蒸发器温度及间室传感器温度。从实际测试情况分析，冰箱增加热负荷后，比较明显的变化是蒸发器温度及间室温度上升，其中蒸发器温度变化比较明显，因此保证合理的压缩机转速及风机策略是智能算法的目标。

3 控制策略验证分析

根据国标耗电量测算要求，风冷冰箱存在稳态耗电量和化霜耗电量增量计算合成的标准耗电量。本文分别对用户状态下稳态耗电量和化霜增量耗电量分别进行优化控制。如图2、3变频控制策略。

图2 稳定运行控制策略

图3 化霜运行控制策略

稳定运行控制策略：首先，根据变频冰箱当前所处环境的温度信息确定压缩机的第一参数确定变频压缩机档位；在第一参数确定后，检测冰箱的间室温度与设定目标温度，并进行计算差值，作为第二参数确定变频压缩机转速；开机时间作为第三参数确定压缩机转速，以上三参数均可体现负载量X（包括负载热量）的变化，为稳态运行首选的三个参数。

同时变频风机跟随变频压缩机转速同步变化。以上可优化用户使用状态下，最优化冰箱稳定运行状态变频冰箱在间室温度的升高或突然装入大量热负载导致的耗电量增加，加快了冰箱间室的制冷速度，利于变频冰箱节能保鲜。

化霜增量控制策略：开门次数Y作为确定化霜进入的第一参数，开门时长Z作为确定化霜进入的第二参数，以间室温度传感器与目标温度差距，和蒸发传感器温度作为确定进入化霜的第三参数。以上可优化用户使用状态下，根据变频冰箱实际运行工况确定化霜时刻，避免过化霜或多余化霜，利于冰箱化霜增量，同时最大限度的保证用户对食品的保鲜需求。

按上述此控制策略方法优化变频控制程序，并根据上述实验方法进行试验，其优化结果如图4、5、6控制策略优化后，负载量X变化、开门次数Y和开门时长Z对能耗的影响测试数据。结果显示，通过上述控制策略优化，在用户使用场景下可节约能耗约2～4%左右能耗，节能效果明显改善。

图4 控制策略优化后，负载量X变化对能耗的影响对比

图5 控制策略优化后，开门次数Y变化对能耗的影响对比

图6 控制策略优化后，开门时长Z变化对能耗的影响对比

4 结语

本文利用现有试验工况下设计的两门变频冰箱进行试验，通过模拟用户不同使用工况负载量、开门次数和开门时长等对总耗电量的影响量，并根据各参数对耗电量的影响量大小，设定控制参数优先级控制压缩机和风机运行转速，同时控制进入化霜的最优时刻。通过优化结果表明通过控制策略的变化，优化冰箱在实际使用过程的节能控制策略，可明显降低用户使用工况下变频冰箱能耗。